呂玉蘭　王保軍

摘? 要：工業(yè)機(jī)器人激光熔覆零件具有特殊性、復(fù)雜性、小批量等特點(diǎn)，導(dǎo)致機(jī)器人編程和參數(shù)調(diào)節(jié)占用時(shí)間長(zhǎng)，培訓(xùn)機(jī)器人操作者周期也長(zhǎng)，為了解決這一問(wèn)題，基于ABB機(jī)器人的Screen Maker功能，對(duì)示教器界面進(jìn)行了二次開發(fā)，利用RobotStudio軟件對(duì)機(jī)器人激光熔覆進(jìn)行了仿真，并在真機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人當(dāng)前工作狀態(tài)和信息的顯示以及機(jī)器人運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)的控制，滿足激光熔覆工藝柔性生產(chǎn)的需要。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；激光熔覆；Screen Maker；二次開發(fā)

中圖分類號(hào)：TP242? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）20-0169-04

Application of Secondary Development of ABB Robot Based on Screen Maker in Laser Cladding

LYU Yulan， WANG Baojun

（Shanxi Institute of Mechanical & Electrical Engineering， Changzhi? 046011， China）

Abstract： Industrial robot laser cladding parts have the characteristics of particularity， complexity， and small batch size， which leads to long robot programming and parameter adjustment time， as well as long training cycle for robot operators. To solve this problem， based on the Screen Maker function of ABB robots， a secondary development of the teaching interface is carried out， and robot laser cladding is simulated by using RobotStudio software and verified on a real machine. It achieves the display of the current working status and information of the robot， as well as the control of key parameters for robot operation， meeting the needs of flexible production in laser cladding technology.

Keywords： industrial robot; laser cladding; Screen Maker; secondary development

0? 引? 言

激光熔覆可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料表面進(jìn)行改性、對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行修復(fù)以及原型增材制造，是激光先進(jìn)制造的重要支撐技術(shù)，廣泛應(yīng)用在航空、冶金、石油、汽車、船舶制造等各個(gè)行業(yè)。其加工對(duì)象在材料、形狀、大小等方面復(fù)雜多變，需要激光器的位置和角度隨著工件形狀大小進(jìn)行實(shí)時(shí)變化，一般搭配六軸工業(yè)機(jī)器人來(lái)工作。

激光熔覆零件存在復(fù)雜性和小批量的特點(diǎn)，加工時(shí)又要綜合考慮激光功率、送粉速度、掃描速度、材料冷卻速度等因素，編程和參數(shù)調(diào)節(jié)占用時(shí)間長(zhǎng)，而且其加工速度一般較慢，在機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)行程序加工復(fù)雜工件時(shí)，操作者無(wú)法直觀通過(guò)程序觀察到當(dāng)前加工情況，給現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)帶來(lái)不便。李金華[1]等進(jìn)行過(guò)機(jī)器人激光熔覆的離線編程與仿真研究，縮短了編程時(shí)間；王楊霄[2]等進(jìn)行過(guò)復(fù)雜曲面零件激光隨形熔覆軌跡規(guī)劃研究，實(shí)現(xiàn)了較好的熔覆效果；龍洋[3]利用Screen Maker功能對(duì)機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線進(jìn)行過(guò)界面設(shè)計(jì)。綜上，本文提出基于Screen Maker對(duì)ABB機(jī)器人的示教器界面進(jìn)行針對(duì)性的二次開發(fā)思路，利用RobotStudio軟件進(jìn)行仿真和驗(yàn)證，以滿足激光熔覆工藝柔性生產(chǎn)的需求，方便操作者快速上手使用。

1? 二次開發(fā)架構(gòu)設(shè)計(jì)

ABB機(jī)器人的FlexPandant SDK工具為示教器的二次開發(fā)提供了可能，結(jié)合RobotStudio的強(qiáng)大功能，按照工作站搭建、RAPID程序編寫、利用Screen Maker對(duì)示教器進(jìn)行界面開發(fā)、仿真驗(yàn)證、真機(jī)調(diào)試的順序，進(jìn)行二次開發(fā)架構(gòu)設(shè)計(jì)（如圖1所示）。首先在RobotStudio中搭建工業(yè)機(jī)器人激光熔覆應(yīng)用的工作站，將工業(yè)機(jī)器人IRB2600、激光器、送粉裝置、送氣裝置、工件等進(jìn)行布局，在創(chuàng)建機(jī)器人系統(tǒng)時(shí)需要添加617-1 FlexPendant InterFace選項(xiàng)；然后根據(jù)試驗(yàn)方案要求編寫RAPID程序，在編寫程序時(shí)需要預(yù)留Sreen Maker變量接口，所有的變量都需要使用全局變量，以便在示教器頁(yè)面編輯時(shí)進(jìn)行調(diào)用；然后基于Screen Maker功能進(jìn)行示教器界面的開發(fā)，要能夠顯示機(jī)器人當(dāng)前工作狀態(tài)和信息，也能夠控制機(jī)器人運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)；根據(jù)試驗(yàn)方案，在RobotStudio使用虛擬示教器運(yùn)行程序進(jìn)行仿真驗(yàn)證；最后在真機(jī)上進(jìn)行調(diào)試，完成激光熔覆工件的加工。

2? 搭建仿真工作站與編寫程序

在RobotStudio中搭建工業(yè)機(jī)器人激光熔覆應(yīng)用工作站，本文使用的是RobotStudio 6.08（32-bit）版本，虛擬工作站中的工業(yè)機(jī)器人型號(hào)為IRB2600，屬六關(guān)節(jié)機(jī)器人，工作范圍達(dá)1.65 m，有效載荷12 kg，重復(fù)定位精度0.04 mm，適合弧焊、激光切割、激光熔覆等工藝應(yīng)用。在創(chuàng)建虛擬機(jī)器人的系統(tǒng)時(shí)，除添加709-1DeviceNet Master/Slave選項(xiàng)之外，還需添加617-1 FlexPendant InterFace選項(xiàng)，以支持后續(xù)二次開發(fā)。工具選用RobotStudio自帶MyTool工具，工件為放置在工作臺(tái)上的長(zhǎng)250 mm、寬100 mm、高10 mm的試驗(yàn)基板，利用建模功能創(chuàng)建矩形體實(shí)現(xiàn)工件模型的創(chuàng)建，在創(chuàng)建時(shí)要注意角點(diǎn)的選擇，使用捕捉功能將角點(diǎn)設(shè)置在桌子的某個(gè)一角點(diǎn)上，方面后續(xù)工件坐標(biāo)的創(chuàng)建，如圖2所示。

本試驗(yàn)方案是在基板上進(jìn)行多道多層的材料打印，每層提升量為0.45 mm，寬度方向?yàn)榧す夤獍咧睆?/p>

2 mm，寬度方向打印20條，長(zhǎng)度為150 mm。激光功率1 100 W，掃描速度6 mm/s，送粉速度22 g/min[4]。

根據(jù)試驗(yàn)方案，采用兩個(gè)循環(huán)指令FOR進(jìn)行嵌套編程，外層FOR循環(huán)實(shí)現(xiàn)激光熔覆層數(shù)的循環(huán)，完成高度方向的控制，內(nèi)層FOR循環(huán)實(shí)現(xiàn)激光熔覆條數(shù)的循環(huán)，完成寬度方向的控制，長(zhǎng)度方向由起點(diǎn)pStart和終點(diǎn)pStop確定。激光發(fā)生器和送粉機(jī)的打開、關(guān)閉由機(jī)器人數(shù)字輸出信號(hào)控制，送粉在激光頭首次到達(dá)熔覆起點(diǎn)前就要打開，因?yàn)榻饘俜勰乃头蹤C(jī)通過(guò)管道傳輸?shù)綑C(jī)器人末端的噴粉頭需要一定的時(shí)間，且形成勻速噴粉也需要一定的時(shí)間。激光發(fā)生器在每次熔覆起點(diǎn)打開，在熔覆終點(diǎn)關(guān)閉，防止激光對(duì)已熔覆表面造成誤損。

按照這個(gè)思路編寫程序，首先在基板上利用三點(diǎn)法創(chuàng)建工件坐標(biāo)系，將工件坐標(biāo)系原點(diǎn)設(shè)置在基板與桌子重合的角點(diǎn)上，將X軸設(shè)置在基板的長(zhǎng)邊，Y軸設(shè)置在基板的短邊，以保證工件坐標(biāo)系的Z軸豎直向上。工具坐標(biāo)系采用MyTool工具的坐標(biāo)系，機(jī)器人主要控制程序如下：

PROC Multiple （ ）

set DO_Modulate;

WaitTime 1;

FOR H FROM 0 TO 19 DO

Set DO_Powderfeed;

B：=0;

T：=0;

FOR i FROM 0 TO 19 DO

IF （T MOD 2）=0 THEN

MoveL 0ffs（pStart，0，B，0.45*H），V1000＼V：=6，fine，MyTool＼Wobj：=wobjblock;

Set DO_Enable;

WaitTime 1;

MoveL offs（pStop，0，B，0.45*H），V1000＼V：=6， fine， MyTool＼wobj：=wobjblock;

Reset DO_Enable;

Incr T;

Add B，2;

ELSEIF （T MOD 2）=1 THEN

MoveL offs（pStop，0，B，0.45*H），V1000＼V：=6，fine，MyTool＼wObj：=wobjblock;

set DO_Enable;

WaitTime 1;

MoveL offs（pStart，0，B，0.45*H），V1000＼V：=6， fine， MyTool＼wobj：=wobjblock;

Reset DO_Enable;

Incr T;

Add B，2;

ENDIF

ENDFOR

Reset DO_Powderfeed;

ENDFOR

Reset DO_Enable;

Reset DO_Modulate;

WaitTime 2;

stop;

ENDPROC

程序中的IO信號(hào)用于控制完成激光熔覆所需要的激光發(fā)生器、送粉機(jī)等機(jī)器人周邊設(shè)備，全部為數(shù)字輸出信號(hào)（Digital Output），如表1所示。程序中需要在示教器界面進(jìn)行調(diào)用的變量需要設(shè)置成全局變量，變量含義如表2所示。

3? 二次開發(fā)

ScreenMaker是ABB機(jī)器人控制器上的一款軟件，其提供了圖形化界面和強(qiáng)大的編程功能，可以使機(jī)器人系統(tǒng)更加易于集成和靈活適應(yīng)不同的操作場(chǎng)景。ABB機(jī)器人通過(guò)使用ScreenMaker定義的圖形用戶界面[5]，可實(shí)現(xiàn)對(duì)常用IO信號(hào)狀態(tài)的監(jiān)控，以及對(duì)數(shù)字輸出及組輸出信號(hào)的手動(dòng)控制，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)RAPID程序中程序數(shù)據(jù)的監(jiān)控與賦值，以及寫入操作提示信息等。

機(jī)器人激光熔覆涉及的參數(shù)較多，并且在機(jī)器人進(jìn)行激光熔覆操作時(shí)不易觀察到加工進(jìn)度，大部分操作工人的工業(yè)機(jī)器人操作與編程能力不足，為了方便觀察以及操作，本文利用ScreenMaker二次開發(fā)定制示教器用戶畫面，將機(jī)器人系統(tǒng)的內(nèi)在工作轉(zhuǎn)化為圖形化的前端界面，清晰顯示加工過(guò)程，簡(jiǎn)化工業(yè)機(jī)器人的操作，從而保證熔覆質(zhì)量和穩(wěn)定性。

將激光熔覆過(guò)程中的調(diào)制開關(guān)、送粉開關(guān)、激光開關(guān)信號(hào)進(jìn)行顯示，并且可以手動(dòng)控制其信號(hào)值。將激光熔覆層數(shù)、激光熔覆條數(shù)都設(shè)置成可控變量，既能監(jiān)控其數(shù)值也能對(duì)其進(jìn)行賦值，實(shí)現(xiàn)激光熔覆過(guò)程的監(jiān)控。其中，IO信號(hào)為數(shù)字輸出信號(hào)，可通過(guò)Bind Value to a Controller Object 對(duì)Led控件進(jìn)行信號(hào)綁定，對(duì)象類型選擇“信號(hào)數(shù)據(jù)”，參見(jiàn)選擇“Output”，之后依次在下方信號(hào)列表中選擇DO_Modulate、DO_Powderfeed、DO_Enable三個(gè)信號(hào)完成綁定，就可以在示教器頁(yè)面觀察到IO信號(hào)的變化。變量是通過(guò)TpsLabel控件進(jìn)行控制，具體操作與IO信號(hào)綁定類似，通過(guò)點(diǎn)擊Bind Text to a Controller Object進(jìn)行綁定，對(duì)象類型選擇Rapid數(shù)據(jù)，注意這里只能綁定全局變量。具體監(jiān)測(cè)界面和控制界面如圖3所示。

4? 仿真與驗(yàn)證

在RobotStudio中運(yùn)行機(jī)器人程序，通過(guò)仿真選項(xiàng)卡中的TCP路徑跟蹤功能，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人模擬激光熔覆路徑的顯示，如圖4所示。可以看到機(jī)器人運(yùn)行路徑在長(zhǎng)度、寬度、高度方向均符合方案要求，且機(jī)器人運(yùn)行動(dòng)作流暢，不存在奇點(diǎn)等死點(diǎn)。最后，將自定義畫面和程序傳輸至真實(shí)示教器，在真實(shí)工作站中完成激光熔覆。在機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中，可以通過(guò)示教器自定義圖形用戶界面觀察機(jī)器人激光熔覆進(jìn)度和IO信號(hào)狀態(tài)，也能通過(guò)控制界面控制IO信號(hào)的狀態(tài)方便機(jī)器人運(yùn)行調(diào)試，使得整個(gè)操作過(guò)程簡(jiǎn)潔方便。

5? 結(jié)? 論

本文以多道多層激光熔覆為例，使用ABB機(jī)器人的ScreenMaker對(duì)示教器進(jìn)行自定義圖形界面開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)激光熔覆過(guò)程中的IO信號(hào)及加工過(guò)程監(jiān)測(cè)，也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)IO信號(hào)的控制，經(jīng)RobotstStudio仿真及真實(shí)工作站測(cè)試，證實(shí)自定義示教器界面使得激光熔覆過(guò)程可見(jiàn)、可控，方便用戶操作使用，縮短了工作站編程和調(diào)試的時(shí)間，提高了激光熔覆的效率，適應(yīng)激光熔覆工藝小批量、多類型的柔性生產(chǎn)需求。同時(shí)，簡(jiǎn)化的操作還可以縮短對(duì)從業(yè)人員的培訓(xùn)難度和培訓(xùn)時(shí)間。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李金華，馮偉龍，李高松，等.基于機(jī)器人的激光熔覆離線編程與仿真研究 [J].熱加工工藝，2020，49（24）：102-104.

[2] 王楊霄，孫文磊，劉金朵，等.復(fù)雜曲面零件激光隨形熔覆軌跡規(guī)劃研究 [J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2022，39（2）：53-57.

[3] 龍洋.多機(jī)器人沖壓線關(guān)鍵技術(shù)研究 [D].天津：天津工業(yè)大學(xué)，2016.

[4] 羅奎林，郭雙全，何勇，等.激光熔覆修復(fù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣TC4鈦合金靜子葉片 [J].中國(guó)表面工程，2015，28（6）：141-146.

[5] 葉暉，呂世霞，張恩光，等.工業(yè)機(jī)器人工程應(yīng)用虛擬仿真教程：第2版 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2021.

作者簡(jiǎn)介：呂玉蘭（1989.02—），女，漢族，河北辛集人，講師，高級(jí)技師，碩士，研究方向：工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器視覺(jué)；王保軍（1988.04—），男，漢族，山西保德人，講師，高級(jí)技師，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)器視覺(jué)。

收稿日期：2023-04-12

基金項(xiàng)目：2022年度山西省高等學(xué)?？萍紕?chuàng)新項(xiàng)目（2022L686）；山西省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度“互聯(lián)網(wǎng)+教育”研究專項(xiàng)課題（HLW-20195）